32t軸重機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案及動(dòng)力學(xué)性能分析

王坤全,羅 赟,張紅軍

(1 中國(guó)南車(chē)集團(tuán)公司 資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司,四川資陽(yáng)643100;2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610031)

發(fā)展大軸重機(jī)車(chē)車(chē)輛是世界鐵路貨運(yùn)發(fā)展的大趨勢(shì),從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,北美鐵路公司為了提高運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益,逐步將軸重提高到了30 t,美國(guó)GE公司和EMD公司也為此生產(chǎn)了大量的32t軸重的內(nèi)燃機(jī)車(chē)。加拿大、巴西、澳大利亞在其主要干線的重載運(yùn)輸中均采用了軸重30 t的列車(chē)[1,2];歐洲在斯堪的納維亞也采用了30 t軸重列車(chē)的運(yùn)輸[3]。我國(guó)鐵路主要技術(shù)政策也指出“新建貨運(yùn)重載專(zhuān)線機(jī)車(chē)、貨車(chē)可以大于25T”,國(guó)內(nèi)也在研發(fā)大軸重貨運(yùn)機(jī)車(chē)[4,5]。

目前巴西鐵路30 t軸重機(jī)車(chē)情況見(jiàn)表1,這些機(jī)車(chē)都是C0—C0軸式的。

資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司針對(duì)巴西鐵路對(duì)30 t以上軸重機(jī)車(chē)的需求,初步設(shè)計(jì)了32t軸重機(jī)車(chē)3軸轉(zhuǎn)向架方案,設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度100 km/h,本文根據(jù)運(yùn)行情況,詳細(xì)計(jì)算分析,分別比較了單拉桿和雙拉桿軸箱定位方式,以及單牽引拉桿和中心銷(xiāo)牽引方式的動(dòng)力學(xué)性能,為確定轉(zhuǎn)向架方案提供理論依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案

考慮到運(yùn)用線路比較差,32t軸重3軸轉(zhuǎn)向架機(jī)車(chē)采用了一系軟二系硬的懸掛,一系懸掛為鋼圓彈簧配垂向減振器(端軸),二系采用4點(diǎn)支撐的橡膠堆,并配橫向減振器;軸箱設(shè)計(jì)了單拉桿和雙拉桿兩種定位方式;驅(qū)動(dòng)單元由交流電機(jī)加齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)組成,采用軸懸方式,電機(jī)通過(guò)吊桿單點(diǎn)懸掛在構(gòu)架橫梁上;牽引考慮了低位單拉桿和中心銷(xiāo)兩種牽引方式;制動(dòng)采用踏面制動(dòng)。單牽引拉桿一端與構(gòu)架牽引橫梁連接,另一端與車(chē)體牽引座連接;中心銷(xiāo)與車(chē)體牽引座連接,同時(shí)通過(guò)兩根擺桿與構(gòu)架牽引橫梁連接。主要參數(shù)見(jiàn)表2,轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1和圖2。

表1 巴西30 t軸重機(jī)車(chē)情況[2]

2 計(jì)算模型

2C0軸式內(nèi)燃機(jī)車(chē)由車(chē)體、兩個(gè)構(gòu)架、6個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)和6個(gè)輪對(duì)組成。車(chē)體和構(gòu)架間由二系懸掛裝置連接,

表2 32t軸重3軸轉(zhuǎn)向架主要參數(shù)表

圖1 單拉桿軸箱和中心銷(xiāo)牽引方案圖

二系懸掛裝置由每側(cè)兩組橡膠堆、兩個(gè)橫向減振器構(gòu)成;構(gòu)架和輪對(duì)之間由一系懸掛裝置連接,一系懸掛裝置由一系彈簧、軸箱拉桿和垂向減振器(端軸)組成。牽引電動(dòng)機(jī)與輪對(duì)通過(guò)抱軸承連接,同時(shí)通過(guò)一根吊桿懸掛在構(gòu)架上。

計(jì)算模型的自由度及廣義坐標(biāo)見(jiàn)表3,共23個(gè)剛體,總計(jì)75個(gè)自由度。

采用AAR-RP-633 MSRP G-Ⅱ76 2004標(biāo)準(zhǔn)機(jī)車(chē)踏面與UIC60 kg/m鋼軌匹配的輪軌接觸幾何關(guān)系,軌道不平順采用按較差功率譜轉(zhuǎn)換的時(shí)域隨機(jī)不平順線路。

用數(shù)值積分方法求解,考慮了輪軌接觸幾何和蠕滑關(guān)系的非線性、輪對(duì)自由橫動(dòng)量和軸箱橫向止擋的非線性、二系橫向彈性和剛性止擋的非線性以及各減振器的非線性特性。

表3 2C0軸式軸懸機(jī)車(chē)模型的自由度及廣義坐標(biāo)

3 一系軸箱兩種方案的比較

在相同牽引方式下,比較分析軸箱定位方式對(duì)機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的影響。

3.1 非線性穩(wěn)定性

圖3是32t軸重軸箱單拉桿和雙拉桿方案機(jī)車(chē)在不同速度下輪對(duì)橫向振動(dòng)極限環(huán)振幅曲線。

結(jié)果說(shuō)明機(jī)車(chē)運(yùn)行速度低于200 km/h時(shí),系統(tǒng)存在軸箱自由間隙內(nèi)比較小的穩(wěn)定極限環(huán)。兩種軸箱拉桿方式下,機(jī)車(chē)非線性臨界速度都大于200 km/h,可以滿足最大運(yùn)用速度100 km/h的要求。

3.2 直線運(yùn)行平穩(wěn)性

機(jī)車(chē)單軸箱拉桿與雙軸箱拉桿方案以20～120 km/h速度在具有較差不平順直線軌道上運(yùn)行時(shí),前、后司機(jī)室車(chē)體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)見(jiàn)圖4和圖5。圖6是兩種方案機(jī)車(chē)端軸輪軸橫向力隨速度變化的曲線。

計(jì)算結(jié)果說(shuō)明,雙拉桿方案直線運(yùn)行橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和加速度略?xún)?yōu)于單拉桿方案,尤其在運(yùn)行速度超過(guò)60 km/h以上;但是輪軸橫向力略大于單拉桿方案;直線運(yùn)行垂向性能兩種方案差別不大。

3.3 最小半徑曲線準(zhǔn)靜態(tài)通過(guò)性能

圖3 一系方案對(duì)機(jī)車(chē)非線性穩(wěn)定性的影響

圖4 直線運(yùn)行橫向平穩(wěn)性指標(biāo)比較

圖5 直線運(yùn)行垂向平穩(wěn)性指標(biāo)比較

圖6 直線運(yùn)行輪軸橫向力比較

機(jī)車(chē)以5 km/h速度通過(guò)加寬16 mm、無(wú)超高的100～140 m半徑光滑曲線的準(zhǔn)靜態(tài)曲線通過(guò)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。表中列出了最大的輪軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)和輪緣磨耗因子。UIC518規(guī)定橫向力極限值為lim∑(2m)=1.0(10+2Q0/3)=114.6 kN,脫軌系數(shù)應(yīng)不大于0.8。

結(jié)果顯示:(1)按照脫軌系數(shù)限制的最小曲線半徑小于按照輪軸橫向力極限值;(2)機(jī)車(chē)單拉桿方案理論上可以通過(guò)的最小曲線半徑為121 m,雙拉桿方案理論上可以通過(guò)的最小曲線半徑為129 m;(3)100～140 m半徑曲線上,除脫軌系數(shù)略大外,單拉桿方案機(jī)車(chē)第1輪對(duì)的準(zhǔn)靜態(tài)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)都比雙拉桿方案略小,尤其輪緣磨耗因子可以降低15%以上。

表4 80～180 m半徑曲線上第1輪對(duì)的準(zhǔn)靜態(tài)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)

3.4 動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)性能

機(jī)車(chē)以21.37～34.89 km/h均衡速度和未平衡離心加速度Aq=0.2m/s2速度通過(guò)超高20mm的300～800 m半徑具有較差不平順曲線,輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率平均值和最大值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7～圖9。

圖中機(jī)車(chē)單軸箱拉桿方案通過(guò)曲線各輪對(duì)中最大的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率平均值都略大于雙拉桿方案。

圖7 動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)橫向力比較

由圖7可見(jiàn),橫向力最大值在機(jī)車(chē)以均衡速度通過(guò),曲線半徑小于500m時(shí),單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于500 m后,單拉桿方案大于雙拉桿方案。以未平衡離心加速度0.2 m/s2通過(guò),曲線半徑小于400 m時(shí),單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于400 m,單拉桿方案大于雙拉桿方案。

圖8中,脫軌系數(shù)最大值在機(jī)車(chē)以均衡速度通過(guò),曲線半徑小于600 m時(shí),單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于600m后,單拉桿方案大于雙拉桿方案。以未平衡離心加速度0.2m/s2通過(guò),曲線半徑小于400m時(shí),單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于400 m后,單拉桿方案大于雙拉桿方案。

圖8 動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)脫軌系數(shù)比較

圖9 動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)輪重減載率比較

由于兩種方案垂向靜撓度相同,輪重減載率最大值差別微小。

計(jì)算結(jié)果說(shuō)明單拉桿方案在小半徑曲線通過(guò)時(shí),性能略?xún)?yōu)于雙拉桿方案;雙拉桿方案在提高曲線通過(guò)速度和曲線半徑增大時(shí),比單拉桿方案略具有優(yōu)勢(shì)。考慮到巴西鐵路的運(yùn)用條件,建議采用單拉桿方案。

4 牽引方式的比較

4.1 軸重轉(zhuǎn)移

機(jī)車(chē)的起動(dòng)牽引力每軸129.2 kN。采用中心銷(xiāo)牽引,牽引高度為1 015 mm;采用單牽引桿牽引,牽引高度為570mm。表5是機(jī)車(chē)各方案軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算結(jié)果。

單牽引桿可以實(shí)現(xiàn)最佳黏著利用率,但是由于機(jī)車(chē)一系軟、二系硬,采用中心銷(xiāo)牽引方式,機(jī)車(chē)的黏著利用率也能達(dá)到92%。

表5 不同牽引方式機(jī)車(chē)軸重轉(zhuǎn)移比較

4.2 牽引方式對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

計(jì)算機(jī)車(chē)勻速通過(guò)表6的不同工況。單牽引桿或中心銷(xiāo)牽引方案時(shí),機(jī)車(chē)輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)和加速度最大值分別見(jiàn)表7～表11。

表6 牽引方式比較計(jì)算工況

表7 不同牽引方式橫向力統(tǒng)計(jì)最大值/kN

表8 不同牽引方式脫軌系數(shù)統(tǒng)計(jì)最大值

表9 不同牽引方式輪重減載率統(tǒng)計(jì)最大值

表10 不同牽引方式橫向性能比較

表11 不同牽引方式垂向性能比較

在計(jì)算的3種工況中,兩種牽引方案動(dòng)力學(xué)性能差別甚微。考慮到中心銷(xiāo)為巴西鐵路所熟悉,建議采用中心銷(xiāo)牽引方式。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)32t軸重機(jī)車(chē)一系單拉桿和雙拉桿軸箱定位方式動(dòng)力學(xué)性能比較分析,得出以下結(jié)論:

(1)機(jī)車(chē)兩種方案的準(zhǔn)線性臨界速度和非線性臨界速度都可以滿足最大運(yùn)用速度100 km/h的要求。

(2)雙拉桿方案直線運(yùn)行橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和加速度略?xún)?yōu)于單拉桿方案,尤其在運(yùn)行速度超過(guò)60 km/h以上;但是輪軸橫向力略大于單拉桿方案;兩種方案直線運(yùn)行垂向性能差別不大。

(3)理論上機(jī)車(chē)單拉桿方案可以通過(guò)的最小曲線半徑為121 m,雙拉桿方案可以通過(guò)的最小曲線半徑為129 m。降低二系橡膠堆縱橫向剛度,或者減小內(nèi)外橡膠堆縱向間距都可以有效地減小機(jī)車(chē)通過(guò)的最小曲線半徑。

(4)單拉桿方案在小半徑曲線通過(guò)時(shí),性能略?xún)?yōu)于雙拉桿方案;雙拉桿方案在提高曲線通過(guò)速度和曲線半徑增大時(shí),又比單拉桿方案略具有優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)對(duì)32t軸重機(jī)車(chē)單牽引桿牽引方案和中心銷(xiāo)牽引方案的軸重轉(zhuǎn)移和動(dòng)力學(xué)性能比較,得出如下結(jié)論:

(1)單牽引桿牽引可以實(shí)現(xiàn)最佳黏著利用率94.12%,但是采用中心銷(xiāo)牽引方式,機(jī)車(chē)的黏著利用率也達(dá)到92%。

(2)機(jī)車(chē)兩種牽引方案直線和曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能差別甚微。

建議機(jī)車(chē)采用單軸箱拉桿和中心銷(xiāo)牽引方案。

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